[发明专利]一种可侧向超声激励和探测的一体化光纤式光声探头

说明书

本发明公开一种可侧向超声激励和探测的一体化光纤式光声探头，探头中光纤(1)的侧壁被抛磨，并沉积有光声材料(31)，形成光声信号激励单元(3)以激励光声信号；并通过飞秒激光刻蚀，制作法布里‑珀罗(Fabry‑Perot，F‑P)干涉腔，形成由介质镜(21)—聚合物膜(22)—介质镜(23)组成的F‑P腔式光声信号探测单元(2)，用于光声信号的探测；在光纤纤芯(4)上制作45度斜光栅(5)，用于激励光与探测光的分离。由于斜光栅(5)的滤波作用，光纤(1)内传输的激励光束经斜光栅(5)透射至光纤端(6)附近的光声信号激励单元(3)，沉积的光声材料(31)在光声效应作用下激发超声信号；探测光束经由斜光栅反射至光纤侧面的F‑P干涉腔以探测光声信号。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种可侧向超声激励和探测的一体化光纤式光声探头。

背景技术

1880年，贝尔发现在周期性光源照射下，物体会发出声信号(BELL A G.Upon theproduction and reproduction of sound by light[J].Journal ofthe SocietyofTelegraph Engineers,1880,9(34):404–426.)，这一现象被称为光声效应。即当光照射到某一物体上时，物体吸收光能转化为热能，发生体积的膨胀；当采用脉冲光源或调制光源时，物体温度的升降会引起体积涨缩，从而可以向外辐射声波。传统的超声换能器多为基于压电效应的压电晶体制成，其结构尺寸相对较大且易受电磁干扰，而基于光声效应制作的光纤式光声探头具有柔性化、微型化、抗电磁干扰等优势。

目前，光声效应在光纤传感领域的应用主要分为两大类，一类是仅利用光纤传输激光，待测物体吸收脉冲激光后产生超声；另一类是在光纤端面制备涂层，涂层吸收脉冲激光后产生超声。前者较容易在单根光纤上实现光声信号激励和探测的一体化。1998年，英国伦敦大学学院的P.C.Beard等人在多模光纤端头利用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜，制作了F-P声探测器(P.C.Beard,F.Perennes,E.Draguioti,et al.Optical fiberphotoacoustic–photothermal probe[J].Optics Letters,1998,23(15):1235-1237.)。但所制作的传感器探头需要使用水腔来匹配声阻抗，导致其体积较大，同时探头在探测过程中需要紧贴目标物，限制了其应用。2011年，英国伦敦大学学院的Edward Z.Zhang与PaulC.Beard在单模光纤上分别制作了前向和侧向收发一体的F-P探头，其中，前向探头在双包层光纤端包括光纤(1)，介质镜(21)—聚合物膜(22)—介质镜(23)组成的F-P腔式光声信号探测单元(2)，沉积有光声材料(31)的光声信号激励单元(3)，以及位于光纤纤芯(4)上的45度斜光栅(5)。面沉积聚合物薄膜形成F-P腔；侧向探头在光纤包层表面沉积了F-P结构薄膜，同时将光纤端面抛磨成45度角用以反射激光至侧面。(Edward Z.Zhang,PaulC.Beard.A miniature all-optical photoacoustic imaging probe[C].Photons PlusUltrasound:Imaging and Sensing,2011)。这种结构的探头是将激励光穿过透明薄膜后直接照射到目标物体上，较高的能量会导致目标物体发生热烧蚀，而对光吸收系数不高的物体，其光声效应会很微弱。这不同于本发明中基于光声效应的超声激发与探测。